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Development of Multiphysics at High-temperature Melt Interface with Electrodeposition Microcalorimetry

Research Project

Project/Area Number 20H02491
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Shungo Natsui  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (70706879)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 植田 滋  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80359497)
鈴木 亮輔  北海道大学, 工学研究院, 特任教授 (80179275)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2020: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
Keywords金属融体 / マルチフィジックス / 電気化学測定 / 熱移動 / 流体 / 高温融体界面 / 電位・電流応答 / 界面移動 / 動力学解析 / 流体力学
Outline of Research at the Start

本研究では、鉄、チタン、銅など社会にとって必須の金属をつくるプロセスにおいて、大変重要な融体界面現象の学問的理解と制御の深化を目的にしています。高温の融体(溶融塩や溶融スラグ)と液体金属との界面の電位をコントロールして電気化学反応を進行させ、従来平均化された時空間スケールでは検知出来なかった流れと界面形態を含んだ総体としての定量化に挑みます。具体的には、熱的・力学的・電気的応答を同時計測する技術を創出し、さらに数値流体力学シミュレーションをも有機的に利用することで、この現象を明示的に分解・再構築する過程で明らかにする、"高温融体界面マルチフィジックス"の確立を目指します。

Outline of Final Research Achievements

This research focused on the potential-controlled high-temperature metal melt-molten salt (or molten oxide) interface. We aim to create technology for developing new theories to deepen understanding and control of dynamic reaction interfacial phenomena. In addition to high-sensitivity imaging synchronized with high-speed potential/current response and computational fluid dynamics simulation, we newly used electrodeposition microcalorimetry using a micro-sheathed thermocouple electrode. Specifically, this study developed a high-temperature interface multiphysics model through the two systems: 1) molten active metal electrodeposition in a molten salt containing trace elements, and 2) the behavior of molten iron-molten slag interface containing trace elements during anodic polarization.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

金属生産の大部分は、環境負荷が大きい高温融体を反応場とした高温乾式製錬プロセスに依存します。長期的な所用エネルギー量削減目標達成と技術優位性保持のためには現実の高温融体反応場の非平衡状態での効率を決定付ける支配因子とは何かを明らかにした、新たな高温場の制御技術へ向けた学理展開が不可欠です。本研究では、製錬反応が進行する電位制御された金属融体界面のイメージングおよび熱挙動の同時計測を実施しました。微小な電極温度変化を追従することで、微量元素を含む系の界面における物質移動について高い解像度で理解を深め、将来的な新規プロセス設計指針を得ることができます。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 5 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Molten Oxide Electrolysis Using Copper-Containing Carbon-Saturated Molten Iron Anode2023

    • Author(s)
      Natsui Shungo、Sato Takahiro、Ito Akihisa、Hayasaka Miho、Iwama Takayuki、Mori Kota、Ueda Shigeru、Nogami Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of The Electrochemical Society

      Volume: 170 Issue: 2 Pages: 023501-023501

    • DOI

      10.1149/1945-7111/acb84f

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantification of the Impact of Residual H2O on Cathodic Behavior in Molten CaCl2 Electrolysis2022

    • Author(s)
      Natsui Shungo、Shibuya Ryota、Suzuki Ryosuke O.、Kikuchi Tatsuya、Ito Akihisa、Sato Takahiro、Yamamoto Rei、Nogami Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Sustainable Metallurgy

      Volume: 8 Issue: 1 Pages: 532-540

    • DOI

      10.1007/s40831-022-00516-w

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] SPH simulations of binary droplet deformation considering the Fowkes theory2021

    • Author(s)
      Natsui Shungo、Tonya Kazui、Nogami Hiroshi、Kikuchi Tatsuya、Suzuki Ryosuke O.
    • Journal Title

      Chemical Engineering Science

      Volume: 229 Pages: 116035-116035

    • DOI

      10.1016/j.ces.2020.116035

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Comprehensive numerical assessment of molten iron-slag trickle flow and gas countercurrent in complex coke bed by Eulerian-Lagrangian approach2021

    • Author(s)
      Natsui Shungo、Tonya Kazui、Hirai Azuma、Nogami Hiroshi
    • Journal Title

      Chemical Engineering Journal

      Volume: 414 Pages: 128606-128606

    • DOI

      10.1016/j.cej.2021.128606

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical Approach to Comprehend for Effect of Melts Physical Properties on Iron-slag Separation Behaviour in Self-reducing Pellet2020

    • Author(s)
      Ohno Ko-ichiro、Natsui Shungo、Sukenaga Sohei、Tonya Kazui、Maeda Takayuki、Kunitomo Kazuya
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 60 Issue: 12 Pages: 2695-2704

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-218

    • NAID

      130007956955

    • ISSN
      0915-1559, 1347-5460
    • Year and Date
      2020-12-15
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterization of the Cathodic Thermal Behavior of Molten CaCl2 and Its Hygroscopic Chloride Mixture During Electrolysis2020

    • Author(s)
      Shibuya Ryota、Natsui Shungo、Nogami Hiroshi、Kikuchi Tatsuya、Suzuki Ryosuke O.
    • Journal Title

      Journal of The Electrochemical Society

      Volume: 167 Issue: 10 Pages: 102507-102507

    • DOI

      10.1149/1945-7111/ab9961

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      2020 Annual Research Report
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  • [Presentation] 銅含有溶融鉄-溶融スラグ界面におけるアノード反応による銅のスラグへの移行促進2022

    • Author(s)
      守光太, 夏井俊悟, 埜上洋
    • Organizer
      第184回日本鉄鋼協会春季講演大会
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  • [Presentation] 溶融CaCl2-CaO 中TiO2 電解還元に及ぼすカソード電極への振動・回転印加の影響2022

    • Author(s)
      山本玲維, 夏井俊悟, 埜上 洋
    • Organizer
      第54回溶融塩化学討論会 2022年9月30日
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  • [Presentation] 溶融酸化物電解による溶融鉄中トランプエレメントの電気化学的分離の試み2022

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      夏井俊悟
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      電気化学会北海道支部50周年記念シンポジウム
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  • [Presentation] 最近のマルチフィジックスおよびデータ解析の視点による動的な高温融体界面の追跡2022

    • Author(s)
      夏井俊悟
    • Organizer
      日本学術振興会第69委員会
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      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 金属製錬における分散相および融体界面の動力学シミュレーション2021

    • Author(s)
      夏井 俊悟
    • Organizer
      第3回非鉄製錬学WEB討論会”高温融体の挙動のビジュアル化”
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 溶融塩電解を用いたTiO2還元反応に対するカソード電極への回転印加の影響2021

    • Author(s)
      山本 玲維,夏井 俊悟,埜上 洋
    • Organizer
      第183回日本鉄鋼協会春季講演大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 銅を含む炭素飽和溶融鉄-溶融酸化物界面におけるアノード反応挙動2021

    • Author(s)
      夏井 俊悟, 佐藤丘郭, 伊藤 昭久, 岩間 崇之, 植田 滋, 埜上 洋
    • Organizer
      第183回日本鉄鋼協会春季講演大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 溶融酸化物電解による炭素飽和溶融鉄からのCu分離2021

    • Author(s)
      佐藤 丘郭, 夏井 俊悟, 埜上 洋
    • Organizer
      電気化学会第53回溶融塩化学討論会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 電気化学的方法による鉄中Cuの溶融スラグへの酸化除去2021

    • Author(s)
      佐藤 丘郭, 夏井 俊悟, 埜上 洋
    • Organizer
      2021 (令和3) 年度 資源・素材学会 東北支部 総会・春季大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Synchronized High-speed Microscopy and Thermo-analytical Measurement for sub-mm/sub-ms-scale Cathodic Behavior in Molten Salt Electrolysis2021

    • Author(s)
      Shungo Natsui, Ryota Shibuya, Hiroshi Nogami, Tatsuya Kikuchi, Ryosuke O. Suzuki
    • Organizer
      TMS 150th Annual Meeting & Exhibition, Symposium "Advanced Real Time Imaging", Orlando, FL, USA, 3.14-18. 2021.
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 溶鉄中トランプエレメントの分離を目指した溶融スラグ電解法2021

    • Author(s)
      佐藤丘郭, 夏井俊悟, 埜上洋
    • Organizer
      日本鉄鋼協会第181回春季講演大会, 2021年3月17日(水)~19日(金), オンライン開催
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 高温分散相の動力学に基づく学理構築に向けた最近の取り組み2020

    • Author(s)
      夏井 俊悟
    • Organizer
      住友金属鉱山株式会社若手技術者会議特別講演, web講演会, 2020.9.25.
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 溶融塩化物中のカソード電析物形態に関する熱収支の考察2020

    • Author(s)
      澁谷凌太, 夏井 俊悟, 鈴木亮輔, 菊地竜也, 埜上洋
    • Organizer
      電気化学会第52回溶融塩化学討論会, オンライン, 2020年11月26日(木)、27日(金)
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      2020 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 溶融スラグ電解によるトランプエレメント分離システム2021

    • Inventor(s)
      夏井俊悟, 佐藤丘郭, 伊藤昭久, 埜上洋, 植田滋
    • Industrial Property Rights Holder
      夏井俊悟, 佐藤丘郭, 伊藤昭久, 埜上洋, 植田滋
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2021-028310
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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